摘 要： 針對熱水器在智能家居中的實際應用，設計了一種基于STM32的熱水器控制系統，用戶可以遠程實現熱水器的水溫控制。本設計以STM32F130處理器作為控制器件，在減少外圍器件的同時實現了恒溫和水位的自動調節控制，還可實施遠程監控，根據不同的需要實現遠程開啟和控制熱水器的功能，從而更加方便地使用熱水，也可以遠程設定時間監控，設定后不需要人工干預，同時可實現錯峰加熱，節約電能。
關鍵詞： STM32；智能家居；GPRS；熱水器；嵌入式
0 引言
市場上的電熱水器有儲水式電熱水器和即熱式電熱水器兩種。即熱式熱水器的優點是方便快捷，不占空間，安全，最大限度地減少了熱量散失，出水溫度恒定，缺點是功率較大，對電表、電線的要求較高。儲水式電熱水器的優點是功率要求低，因可實現上水停電，使用更安全，可實現定時加熱，缺點是加熱慢，所帶保溫儲水罐占較大空間，不適合長時間連續用水，使用過程中大多需經常調節水溫。為提高電熱水器的節能性、多功能化、智能化，本文基于Cortex-M3內核，結合溫度采集模塊、無線傳輸模塊，設計了一個可以遠程控制溫度的控制系統，最終實現智能家居的熱水器控制。
1 總體設計和系統功能
本控制系統針對熱水器進行控制，遠程操作部分與主控制器以串口連接，智能家居中溫度控制節點與主控制器形成一個GPRS網絡相互通信，所以通過外部移動終端就可以實現與主控制器的通信從而實現對智能家居中熱水器的溫度節點的控制。當然也可以由主控制器來直接控制溫度節點的運行，這樣更快捷。主控制器發送控制命令給溫度節點，溫度節點收到命令后進行相應分析并做出相應動作，然后返回最終的狀態給主控制器，主控制器通過串口將各節點的信息發送到遠程操作系統或直接顯示到自帶的顯示液晶上。系統結構圖如圖1所示[1]。
本系統的終端設備采用模塊化的結構設計思想，將終端設備分為主控模塊和各個功能模塊。主控模塊和各功能模塊之間有統一的或者特定形式的接口，可根據實際情況選用不同的功能模塊。各功能模塊又包含多個節點，每個節點即為通信的一個終端，各節點之間相互獨立，某一個節點出現故障時不會影響到其他節點的運行。
熱水器控制系統的幾個主要模塊功能如下：
（1）按預設的溫度對水膽進行加熱控制：在水膽溫度到達預設溫度后自動停止加熱，低于預設溫度時自動恢復加熱。用戶可根據實際情況自行設定水膽溫度，例如熱水需求量大時可調高水膽溫度以滿足用水需要，而熱水需求量少時則可將水膽溫度調低以減少熱量散失。
（2）可控恒溫和定時加熱：用戶可在實際范圍內任意設定出水溫度，由嵌入式設備控制按照用戶設定的溫度恒溫出水；同時可設定開機時間和關機時間，使熱水器按設定的時段定時加熱。
（3）溫度與時間的LCD顯示：顯示溫度及時間。
（4）自動報警：在系統檢測到有故障現象時，發出報警信息，該信息通過GPRS網絡及時傳回遠端的終端，并進行漏電保護和干燒防護。
（5）遠程控制：在控制端界面顯示各個終端的運行情況、當前的實時溫度信息，用戶指令通過控制端下發到采集端，最后通過采集端回傳終端所需要的信息。用戶可以通過移動終端控制熱水器的開關和溫度設定等，并可查詢熱水器的工作狀態。
2 系統硬件設計
熱水器硬件電路主要由溫度采集模塊、主控制器模塊、電加熱功率驅動模塊、電源管理模塊、無線傳輸通信模塊和顯示模塊等組成。
2.1 溫度采集硬件設計
2.1.1 檢測原理
為對水膽水溫、出水溫度進行控制及顯示，需對水膽水溫與出水溫度進行檢測。本設計采用的溫度傳感器是負溫度系數（NTC）熱敏電阻，利用其阻值隨溫度變化而改變的特性進行溫度檢測[2]。此熱敏電阻的阻值與水溫的特性表達式為：
其中，RT0為水溫在T0時的電阻值，T0為室溫值，即25℃，β是材料的系數。
NTC熱敏電阻分別安裝在水膽和混水管內以達到測溫目的。由溫度轉換電路將溫度值轉換為電量，輸入到嵌入式系統的電壓采樣電路并進行模數轉換，從而測量到水膽和混水管內的水溫度值。
2.1.2 溫度轉換電路
圖2所示為溫度轉換電路，其中RT1、RT2分別為安裝于水膽和混水管內的NTC熱敏電阻。當水膽內的溫度和混水管內的溫度發生變化時，RT1、RT2的電阻值也隨之改變，STM32處理器的PA0、PA1端口上的電壓也相應地發生變化。PA0、PA1是STM32的模擬量輸入端，分別用于檢測電阻R01、R02上的電壓，然后由STM32的A/D轉換電路進行轉換，從而測出其對應的溫度。
2.2 無線傳輸通信模塊設計[3]
無線傳輸通信模塊分為兩大部分：主控模塊和無線收發模塊。主控模塊由微處理器、Flash ROM、SDRAM、復位電路、電源電路等組成。
2.2.1 電源模塊
GPRS的供電范圍為3.3 V~4.8 V，STM32處理器供電電壓為3.3 V。為了滿足系統各個部分供電的需求，采用DC5V作為電路板的供電電源，電路部分如圖3所示。為簡化電路, 其中，采用串聯一個二極管IN4007的方法,使GPRS模塊的實際電壓約為4.3 V左右，滿足供電需求。另一部分，通過三端線性穩壓芯片LM1117輸出3.3 V電壓，同時，在LM1117芯片的兩端加0.1 μF和100 μF電容進行濾波處理，對STM32芯片部分供電。
2.2.2 傳輸通信模塊
無線傳輸通信模塊選用西門子的MC55模塊，其內嵌有TCP/IP協議，不僅降低了設計的難度，也提高了整個系統的性能，便于實現采集數據的遠程傳輸[4]。傳輸通信模塊使用標準的串口直接與STM32相連，如圖4所示。由于此模塊的接口邏輯電壓為2.65 V，不能直接與STM32的端口（工作電壓3.3 V）相連，必須使用轉換電路實現邏輯電平匹配，因此在兩器件間的各管腳之間都連接一個100 Ω的電阻。傳輸通信模塊的RINGO與STM32的RTS1相接, 以中斷方式將數據輸送到STM32控制器。
2.3 功率驅動模塊設計
對水箱內的水加熱的控制采用調功型調溫系統。所謂調功型調溫就是在固定周期內，調節導通和關斷之比（占空比），并采用過零觸發雙向可控硅電路，實現對水溫的控制。在占空比為1時，輸出連續的正弦波；占空比為0時，不輸出正弦波。
由于用STM32F103控制器來控制水溫加熱模塊，因此調功型調溫的PWM信號由STM32F103的PB6輸出，具體的原理圖如圖5所示。
直接利用STM32F103的TIM4_CH1(PB6)輸出PWM信號，連接到帶過零檢測功能的光電耦合雙向可控硅驅動器MOC3041上，實現控制信號與強電的隔離。MOC3041的輸出觸發信號控制雙向晶閘管T1(BTA20)，實現了對水膽水溫的控制。
3 系統軟件設計
3.1 水溫測量程序設計
圖6所示為水溫測量流程圖。水膽和混水管內水溫測量得到的溫度值均采用相同的數值處理方式，將模數轉換的數據進行處理，并作為水溫值。將處理過程設計成子程序，以便調用，實現數據處理。不用水時，不必對混水管內的水溫進行測量。其中在初始化轉換通道及啟動轉換開始后的采樣階段要滿足最小采樣時間t [5]。
3.2 GPRS無線數據傳輸模塊
首先通過SPI總線將溫度采集處理模塊采集到的數據傳送到處理器，然后經由串口AT指令傳輸到GPRS模塊，最后發送到GPRS網絡，這就需要在STM32平臺上構建操作系統。本文在移植Bootloader內核源碼包的基礎上,首先通過對內核作適當的配置和裁剪，然后使用交叉編譯工具將文件編譯成內核鏡像文件, 最后通過Bootloader下載到設備上運行。同時,為了便于使用和進行應用程序的開發，還要組建文件系統。
GPRS模塊包括具有登錄GPRS網絡功能的芯片及相應的協助處理數字電路，通過通信協議與STM32控制器實現串行通信。傳輸過程中，把數據壓縮為數據包，通過Internet網絡接入的指定服務器，送到控制中心的控制主機。其中數據的發送和接收均按照自定義的點到點傳輸通信協議，確保所傳數據的安全以及發送和接收的可靠。
4 結論
隨著電子技術的飛速發展，社會發展步入了信息時代，隨著人們生活水平的提高，對生活質量的要求也不斷提高，這對電子領域提出了更高的要求。采用STM32F103作為控制核心，設計遠程控制的智能家用電熱水器，可以滿足低價格、高性能、尤其是智能化的要求。本系統實現了恒溫和水位的自動調節控制功能，通過遠程開啟和控制熱水器實施遠程監控功能，從而更加方便地使用熱水，也可以遠程設定時間監控，設定后不需要人工干預，同時實現了錯峰加熱，節約電能。在現有眾多的控制手段中，采用典型的嵌入式控制系統，相比現在市場上先進的電熱水器，更能夠滿足人們對現代化智能家居的使用要求。
參考文獻
[1] 明五一,沈娣麗,劉武發. 基于ARM7 無線傳輸的熱電偶遠程監控系統[J]. 單片機與嵌入式系統應用,2010(3):61-64.
[2] 胡潤峰.NTC熱敏電阻溫度傳感器[J].傳感器世界，2001，7(7):26-29.
[3] 崔光照，陳富強，張海霞，等. 基于ARM9的無線傳感器網絡網關節點設計[J].電子技術應用，2008,34(11):115-118.
[4] SIEMENS.MC55/56 hardware interface description[Z]. 2006.
[5] 郁玉龍,趙寧,盧洪武.用AT89C51單片機設計智能家用電熱水器[J].電子制作,2007(10):33-35.